Індукційна опалювальна система

Реферат: Пристрій належить до системи опалення в приміщеннях різного призначення для створення комфортних умов життєдіяльності. Технічні результат: спрощення і зниження вартості технології виготовлення опалювальної системи, розширення експлуатаційних можливостей, підвищення надійності і безпеки експлуатації системи. Індукційна опалювальна система містить випромінювач тепла, виконаний у вигляді пустотілого металевого радіатора, наповненого сухим теплонакопичувачем, наприклад, піском, з теплогенеруючими елементами всередині у вигляді нагрівальних провідників, з'єднаних послідовно в електричний ланцюг і підключених до вторинного провідникового контуру узгоджуючого по параметрах потужності змінного струму однофазного трансформатора, включеного в систему для гальванічної розв'язки нагрівальних елементів з високовольтною мережею змінного струму, до якої підключений первинний провідниковий контур узгоджуючого однофазного трансформатора, який розміщується поряд з радіатором. Магнітопровід трансформатора виконаний у вигляді порожнистої магнітної камери, стінки якої шихтовані магнітними пластинами, площини яких перпендикулярні до провідникових контурів, які по всій довжині охоплені кільцями, створеними півкільцями з магнітних пластин, а спрямування провідників співпадає з віссю магнітної камери. Конструктивні властивості трансформатора спрямовані на створення рівномірного магнітного поля індукції. Технічний UA 112602 C2 (12) UA 112602 C2 результат: підвищення надійності і безпеки експлуатації системи та покращення інших експлуатаційних показників. UA 112602 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до системи опалення в приміщеннях різного призначення для створення комфортних умов життєдіяльності. Найбільш поширена опалювальна система, яка використовується в побутових і промислових приміщеннях, в якій тепло в опалювальні приміщення постачається трубопроводом з гарячою водою та випромінюється опалювальними радіаторами, що виконують функції накопичувачів тепла та теплообмінників з зовнішнім середовищем. Така система громіздка і складна в виготовленні, монтажі та експлуатації. Головний принцип, покладений в основу виноходу, полягає в новій якості опалювальної системи. Тепло, що споживається в приміщенні, повинно генеруватися в середовищі самого радіатора, а не в системі генерування енергії, яка використовується для одержання теплоносія у вигляді води та виробляється на значній відстані від її споживання. Відомі електричні системи опалення приміщень, які складаються з електричних приладів, в яких електрична енергія перетворюються в теплову. В таких системах використовуються опалювальні пристрої з закритими провідниками розжарювання, які закладені в будівельні конструкції, та безпосередньо з'єднані з електричною мережею. В якості нагрівального елементу в них використовуються провід із сплавів з високими жаростійкістю і питомим електричним опором. До недоліків таких систем опалення відносяться: небезпечне їх застосування в експлуатації, низку надійність і не ремонтопридатність при перегорянні проводу. Різновидністю електричних систем є індуктивні системи опалення, в яких як теплоносій використовується вода, яка нагрівається індукційним нагрівачем у вигляді вторинної короткозамкненої обмотки трансформатора та підключеною первинною обмоткою до мережі змінного струму. Такий нагрівач створений за заявкою Франції № 2565059, кл. Н05В 6/10. Недоліком цієї системи опалення є те, що магнітопровід як джерело магнітного поля індукції віддалений від нагрівача на товщину первинної обмотки і її ізоляції, що погіршує індуктивний зв'язок нагрівача з магнітопроводом і значно знижує ККД трансформатора і підвищує індуктивні витрати, викликані неповними зв'язками між магнітопроводом і вторинною обмоткою. Ще одним типом електричного опалювальних систем є "тепла підлога", в якій використовується електрична кабельна система обігріву приміщення, конструктивно виконана із з'єднаних між собою нагрівальних секцій, наприклад, виробництва фірми ООО "Елтек електрик" або нагрівальні мати норвезької фірми Nexaus. В іншій опалювальній системі "тепла підлога" нагрівальні секції виконані із сполучених між собою трубок, порожнина яких заповнена електролітом, наприклад, розчином кухонної солі. Така опалювальна система описана в патенті на винохід № 2431083 РФ. Як тепловипромінюючий пристрій в опалювальній системі "тепла підлога" є технологічно надзвичайно складні нагрівальні мати. Найбільш близьким до винаходу технічним рішенням є сучасна електрична кабельна опалювальна система Nexaus, виконана із з'єднаних між собою нагрівальних секцій або матів. Система "тепла підлога" використовується для обігріву житлових приміщень. Нагрівальні секцій або мати монтуються під покриття будь-якого типу. Рівномірний розподіл тепла забезпечує максимальний комфорт, система не потребує обслуговування, не займає корисної площі, невидима та безшумна. Конструктивно "тепла підлога" монтується таким чином: на підготовлену підлогу, так звану "чорнова підлога", накладається шар тепло- і гідроізоляції, до чого кріпиться нагрівальний мат, і заливається бетонною стяжкою, зверху якої накладається декоративне покриття. Теплоізоляція перешкоджає непродуктивній втраті тепла в перекриття підлоги. Перевагами "теплої підлоги" є: можливість терморегулювання. До недоліків "теплої підлоги" слід віднести: відсутність конструктивно забезпеченої функції накопичення тепла, теплові мати і секції не призначені для відкритого установлювання; не ремонтопридатність системи; невелика надійність і небезпечність застосування в експлуатації, так як нагрівач безпосередньо включається у мережу змінного струму, а також наявність на опалювальній поверхні (на підлозі) ділянок з підвищеною теплоізоляцією, що веде до перегріву кабелю. До недоліків "теплої підлоги" додається також небезпечне їх використання в експлуатації, низька надійність і не ремонтопридатність, нерівномірний нагрів провідників. Задачею винаходу є спрощення технології виготовлення опалювальної системи, розширення експлуатаційних можливостей, підвищення надійності і безпеки експлуатації. Рішення задачі досягається тим, що в якості тепловипромінюючого пристрою в системі опалення використано металевий порожнистий радіатор, наповнений сухим теплонакопичувачем (наприклад, піском), теплонесучі елементи виконані у вигляді нагрівальних провідників, з'єднаних послідовно в електричні ланцюги і безпосередньо розміщених в середовищі сухого сипучого теплоносія, послідовно з'єднані нагрівальні провідники підключені до вторинного контуру однофазного узгоджуючого трансформатора, первинний контур якого 1 UA 112602 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підключений до мережі змінного струму, магнітопровід трансформатора виконаний у вигляді полої магнітної камери, стінки якої шихтовані магнітними пластинами, поверхні яких перпендикулярні до провідників провідникових контурів, по всій довжині охоплених магнітними кільцями, створеними з магнітних пластин, спрямування провідників провідникових контурів збігається з віссю магнітної камери. Винахід пояснюється кресленням на фіг. 1, на якій показана схема запропонованої індукційної опалювальної системи, яка складається з пустотного радіатора 1, наповненого сухим теплоносієм 2 (наприклад, піском), з теплонесучими нагрівальними повідковими елементами 3, та узгоджуючого однофазного трансформатора 4, первинний багатовитковий провідниковий контур якого 5 підключено до мережі змінного струму, а одновитковий вторинний контур 6 підключений до послідовно з'єднаних в електричний ланцюг теплонесучих нагрівальних елементів 3. Конструктивну основу узгоджуючого трансформатора складає магнітопровід у формі полої магнітної камери 7, заповненої провідниками первинного 5 і вторинного 6 замкнених провідникових контурів, які по усій довжині охоплені магнітними кільцями 8, створеними на півкільцями з магнітних пластин 9, і забезпечують рівномірний індуктивний зв'язок між первинними і вторинними контурами по всій довжині магнітної камери. Індукційна опалювальна система по даному винаходу працює таким чином. При підключенні узгоджуючого трансформатора 4 опалювальної системи до електричної мережі в результаті протікання струму по нагрівальним елементам 3 останні нагріваються, а за рахунок теплопередачі сухого носія 2 та значної випромінюючої поверхні провідників 3 теплота передається на велику робочу поверхнею радіатора, що контактує з зовнішнім середовищем та випромінює в оточуюче середовище тепло. Ефективність випромінювання досягається в результаті того, що радіатор виконано у вигляді системи багатьох каналів, заповнених теплоносієм з нагрівальними провідниковими елементами. Використання сухого теплоносія дає змогу підвищити надійність опалювальної системи порівняно з рідинними теплоносіями за рахунок зменшення інтенсивності явищ окислювання поверхні провідників, що нагріваються до низької температури. Узгоджувальний трансформатор виконує функцію не тільки гальванічної розв'язки нагрівальних елементів з мережею змінного електричного струму з напругою U 1, а й функцію генерування максимального струму при низькій напрузі і мінімізації затрат потужності на перетворення електричної енергії в теплову, що досягається способом оптимізації процесу електромагнітної індукції в узгоджувальному трансформаторі. Джерелом змінного струму нагрівача радіатора є індуктивний вторинний контур трансформатора, струм I і напруги Е в якому описуються законом Ома: І = E/(Pi+Рн), де Pi - внутрішній опір контуру, Рн - опір навантаження. Отже необхідною умовою збільшення струму є зменшення опору внутрішнього індикативного контуру, а точніше - оптимізація процесу магнітної індукції в узгоджувальному трансформаторі. Задача створення фізично простого і економічно доступного способу генерування електричного струму максимального значення при низькій напрузі вирішена як внаслідок усунення основних недоліків існуючих трансформаторів напруги - зниження реактивного опору і струму холостого ходу. Такий трансформатор побудований з використанням фізичного явища анізотропного намагнічування магнетиків. (Г.А. Михайлов, А.Д. Бех, Г.П. Жариков, Ю.В. Остапенко Магнитные пленки в вычислительной технике. "Наукова думка". - К. - 1962. - С. 169.). В електротехнічній сталі магнітна анізотропія форми магнетика проявляється в існуванні напрямків легкого і важкого намагнічування пластин трансформаторної сталі. Намагнічування в легкому напрямку відбувається по шарах при незначній коерцитивній силі. Тому крива намагнічування в діапазоні робочого струму трансформатора лінійна. Істотною ознакою трансформатора є дискретизація магнітопроводу - виконання магнітної системи трансформатора з однотипних дискретних елементів (пластин), в яких реалізовано спосіб анізотропного намагнічування в легкому напрямку. Магнітопровід трансформатора виконано у вигляді полої магнітної камери, стінки якої шихтовані магнітними пластинами, поверхні яких перпендикулярні до провідникових контурів, розміщених в магнітній камері і охоплених по всій довжині магнітними кільцями, створеними на півкільцями з магнітних пластин. Використання наведених ознак створило можливість досягти мінімального струму холостого ходу трансформатора за рахунок збільшення індуктивності первинного замкнутого контуру, тому що він на всій довжині охоплений великою кількістю замкнених магнітних кілець, які утворюють магнітопровід мінімальної довжини. Взаємна індуктивність первинного і вторинного контурів при цьому максимальна за рахунок однорідності магнітного поля інжекції (50 років Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України. А.Д. Бех, В.В. Чернецкий, В.В. Елшанский. Магнитные и электрические силы инжекции как физические носители информации 2 UA 112602 C2 5 10 в пространстве и переносчики движения. - К. - 2008. - С. 223-235.). Тому забезпечується ідеальний режим праці узгоджуючого трансформатора, що відрізняється незначними магнітними і електричними втратами. Максимальна величина струму обмежена внутрішнім опором вторинного контуру, який створений витками мідного проводу великого перерізу, що дозволяє закорочування окремих нагрівальних провідникових елементів. Винахід спрощує технологію виготовлення опалювальної системи і знижує її вартість, підвищує надійність і безпеку експлуатації, а також покращує інші експлуатаційні показники. Запропонована індукційна опалювальна система була виготовлена та випробувана в Інституті проблем математичних машин і систем НАН України і показала позитивний результат. Теплова потужність системи 9,6 кВт при ККД перетворення електричної енергії в тепло дорівнює 97 %. Завдяки конструктивно гарантованій функції накопичення тепла в діелектричному середовищі радіатора система залишається працездатною при тривалих відключеннях електроенергії. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Індукційна опалювальна система, що складається з тепловипромінюючого пристрою з теплонесучими елементами в теплопровідному середовищі, яка відрізняється тим, що випромінювач тепла виконаний у вигляді пустотілого радіатора, наповненого сухим теплонакопичувачем, наприклад, піском, з теплонесучими елементами у вигляді нагрівальних провідників, з'єднаних послідовно в електричний ланцюг і підключених до вторинного контуру узгоджуючого однофазного трансформатора, включеного в систему для гальванічної розв'язки нагрівальних елементів з високовольтною мережею змінного струму, до якої підключений первинний контур узгоджуючого трансформатора, який розміщується поряд з радіатором, магнітопровід трансформатора виконаний у вигляді порожнистої магнітної камери, стінки якої шихтовані магнітними пластинами, площини яких перпендикулярні до провідникових контурів, які по всій довжині охоплені кільцями, створеними півкільцями з магнітних пластин, а спрямування провідників співпадає з віссю магнітної камери. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3